WCDMA的原理與實現

WCDMA的系統希望手機在高速移動狀態下，能達到384Kbps；低速或室內(Indoor)的移動狀態下，能達到2Mbps的傳輸速率，其速率為GPRS最大速率115kbps的3倍~17倍之間。其頻寬為5MHz，而IS-95只有1.25MHz，所以稱為寬頻(Wide)。當然WCDMA還有許多特徵，如希望可以跟GSM的系統做交遞(Handover)，FER(Frame Error Rate)可以在10%，這相當於BER(Bit Error Rate)可以為10-6，還有希望可以在單一的連接(Single connection)提供各種不同的服務，如聲音、影像及封包等。首先就先從展頻調變看起。

展頻調變

展頻(Spreading)提高抗干擾的能力

為何要做展頻?因為可以提高抗干擾的能力。基本上展頻的原理是將原本的訊號Data與一個假的雜訊訊號(pseudo noise, PN)相乘，然後將此相乘後的信號利用基頻來傳輸。圖1即為Spreading及Despreading的示意圖。

為什麼上述的動作稱為展頻？若訊號源表示成d(t)，而PN code表示成c(t)，相乘之後訊號表示成m(t)，因為d(t)訊號是窄頻，c(t)訊號是寬頻，根據傅利葉轉換的原理，兩個訊號相乘等於兩訊號做迴旋積，所以相乘後的頻寬約等於PN code的頻寬。

為什麼展頻可提高抗干擾的能力呢?因m(t)=d(t)x c(t)，而接收訊號r(t)會受到干擾(interference)所以

r(t)=m(t)+i(t)= c(t)d(t) + i(t)

若接收器的PN code與傳送器的相同，且接收器的結構圖如圖2所示，包含了積分器及判斷裝置，則在乘法器的輸出端可得到︰

y(t)=c(t)r(t)=c2(t)d(t)+c(t)i(t)

因PN code為正交，所以， c2(t)=1，因此上式可改寫為y(t)=d(t)+c(t)i(t)，又因d(t)是窄頻，而c(t)i(t)是寬頻，因此可選擇一低通濾波器將c(t)i(t)濾掉，讓訊號d(t)恢復。

假隨機序列為週期性的二位元序列

假隨機序列(Pseudo Noise sequence)簡稱為PN碼，其為一種隨機但實際上是週期性的二位元序列。在所有的PN碼中，m序列是最基本的一種隨機序列，其通常可用m個正反器及一邏輯電路來組成。m序列又稱為最大長度序列，其週期N=2m-1，所以其可由m個正反器及模數-2的加法器組成。如圖3所示。

衰減(fading)與Rake接收器

無線電的傳播主要是靠著建築物的反射及散射，因此接收的信號就會來自四面八方，這就是所謂的多重路徑現象(multipath)。

多重路徑現象可將其分為為靜態與動態兩部分，先談談靜態的部分，因為信號所經過的路徑不同會造成延遲，如果現在只考慮兩條路徑，若延遲剛好造成的相位差為0度，則兩個信號相加，若延遲剛好造成的相位差為180度，則兩個信號相減，這就是所謂的衰減(fading)；再來關於動態的部分，如圖4所示，因為接收機一直在移動，所以接收的距離不同，所接收的兩信號的相位差也會跟著改變。

兩個不同路徑的訊號因相位及距離不同造成合成信號振幅不同的情形，如何克服這樣的問題呢?答案是使用Rake Receiver，其內部的電路包含Phase rotator及Matched filter等，Matched filter會將各個路徑上的信號量測出來，其Peak值就是該Path信號的大小，其延遲就是該信號的相位，將這些信號餵給Rake Receiver的finger，Phase rotator會將其做適當的旋轉，最後結合在一起，圖5為Rate receiver的結構圖，一般而言Correlator、Code generator及Matched filter會做成ASIC，而Phase rotator及Channel estimator會用DSP來製作。

圖6說明了訊號經過傳送，接收，然後經過channel estimate修正後，即將訊號做旋轉並乘上部分的比重，最後結合的經過，我們可發現Mutipath經過Rake receiver可以克服fading的效應。

而Matched filter的結構圖如圖7所示，在Register 1會暫存已經先定義好的Data，而Register 2會存放取樣後的資料，圖7是對一個Symbol取128點，將此128點，與Register 1預先定義的資料相乘、然後相加便會得到一個Symbol的Peak值。

交遞(Soft Handover)使通話連續

Handover的種類

Handover或Handoff若直接翻譯可翻成換手，但在無線通訊領域裡並不適當，應該可以翻成“交遞”或是“切換”。

在何時需做Handover呢？當行動台移到一個蜂巢細胞的邊界要進入另一個蜂巢細胞時，為了要使通話連續的一種過程稱之為Handover。一般而言Handover可分為三種(參見表1)。

如何實現Soft Handover

如何實現Soft Handover，以下是它的步驟：

1. 當訊號強度P到達T_ADD，UE會送出一個訊號量測的訊息，並將此訊號(基地台)列為候選集(Candidate Set)。
2. 當訊號持續地強了某一段時機，基地台會傳送一個交遞(Handover)的訊息給UE。
3. UE將此訊號轉到有效集，並傳送一個交遞完成的訊息給基地台。
4. 當訊號掉到T_DROP以下時，UE會傳送一個訊號量測的訊息給基地台。
5. 當訊號強度持續一段時間一直沒有起色(Handover Drop timer expire)，UE會傳送一個訊號測的訊息給基地台。
6. 基地台收到交遞的訊息。
7. UE將此基地台列為相鄰集，並傳送交遞完成的訊息。

以上的方法是用在IS-95，WCDMA也是用類似的觀念，差別之處是它的T_ADD與T_DROP為動態的。

WCDMA Power Control的原理

圖11說明了Uplink功率控制的目的是為了確保每一使用者傳送資料時可以適當的能量傳送，且對基地台而言接收到MS1、MS2、MS3與MS4的功率都是樣的，也就是說其目的是希望對別人的產生的干擾是最少的。

如圖12所示，如果有兩隻手機MS1及MS2，MS1剛好在這個Cell的邊緣，可能因為路徑衰減(path lose)，使得MS1的接收信號減弱。如果沒有使用功率控制使得基地台(BS)接收到MS1及MS2的功率都在同一個準位，MS1所發出的功率很容易超過MS2的功率，進一步而影響其他手機訊號的發射，這會讓Cell發生阻塞(Block)，這就是所謂的near-far問題。圖12也說明了如何做到所謂的閉迴路功率控制(Close loop power control)在uplink的閉迴路功率控制，基地台會執行SIR(Signal to noise)的量測，並且與目標值SIRtarget比較，若發現量測的SIR高於SIRtarget，基地台會下命令給MS，命令MS降低功率，反之若發現量測的SIR低於SIRtarget，基地台會命令MS增加功率。因為CDMA的Frame為10ms，每個Frame有15個時隙(timeslot)每一個時隙會有一個TPC(Transmission Power Control)的欄位，所以其功率量測的週期為1.5kHz，遠大於GSM量測功率的頻率2Hz。

為了得到固定的傳輸品質，如FER(Frame error rate)及BER(Bit error rate)，還需做所謂的Outer loop power control。Node B會固定傳送Frame的相關資訊給RNC，當MS移動的速度或傳播環境改變時，若想要得到固定的傳輸品質(FER,BER)，便需要調整SIRtarget，其調整的策略是若品質變差時(FER增加)，必須增加Power，也就說當RNC發現FER增加時，RNC會下命令給Node B，命令Node B將SIRtarget增加，反之則減少，上述之工作原理可用圖13來表示。

至於fast power control(Inner power control)與Outer loop power control是否有關係，相信您已經想到了就是SIRtarget，前者是根據compare(SIR, SIRtarget)的結果來命令MS是否要調整Power，而後者是根據FER、BER及CRC來命令Node B的SIRtarget是否需要調整。但為何叫做Inner power control及Outer loop power control，可以用圖14來表示，便可清楚了瞭解。

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